天一阁于1561年由兵部右侍郎范钦主持建造。范钦平生喜欢收集古代典籍，后又得到鄞县李氏万卷楼的残存藏书，存书达到了七万多卷，其中以地方志和登科录最为珍稀。公元1772年（乾隆三十七年），下诏开始修撰《四库全书》，范钦的八世孙范懋柱进献所藏之书638种，于是乾隆皇帝敕命测绘天一阁的房屋、书橱的款式，兴造了著名的“南七阁”，用来收藏所撰修的七套《四库全书》，天一阁也从此名闻全国。明清以来，文人学者都为能登此楼阅览而自豪。
范钦为了保护藏书而订立了严格的族规，如女子不得上楼。世代的子孙严格遵循“代不分书，书不出阁”的遗教，但终因年代过于久远，藏书还是有很多的失散。公元1808年（嘉庆十三年），阁内的藏书实有4094部，共53000多卷。鸦片战争时，英国侵略者掠去了《一统志》等数十种古籍。咸丰年间（公元1851～1861年），又有盗贼潜入阁内，偷去了许多的藏书，转卖给法国的传教士和造纸厂。后来又经历了许多的变故，到1940年，阁内的藏书仅存1591部，共13038卷。新中国成立后，政府为了保护天一阁，专门设置了管理机构，探访得到了流失在外的3000多卷原藏书，又增入当地收藏家捐赠的古籍，现藏珍版善本达到了8万多卷。
范钦的私人藏书历经十三世，保存四百余年，虽然也有过几次大的失窃，但事后范氏族人又会想方法不惜重金赎回。历代藏书家很多，其藏书能保存百年以上的并不多见，而范氏藏书却保存至今，这与范钦对藏书的管理制度密不可分。天一阁藏书制度规定：“烟酒切忌登楼”、“代不分书，书不出阁”、还规定藏书柜门钥匙由子孙多房掌管，非各房齐集不得开锁，外姓人不得入阁，不得私自领亲友入阁，不得无故入阁，不得借书与外房他姓，违反者将受到严厉的处罚，还制订了防火、防水、防虫、防鼠、防盗等各项措施。正因为如此，天一阁的藏书才得以保存到今日。“外姓人不得入阁”一条，使得天一阁的藏书不为外人所知，直到1673年（清康熙十二年）明末清初思想家黄宗羲才有幸成为外姓人登阁第一人。允许黄宗羲登阁的是范钦曾子孙（四世孙）范光燮。自此以后天一阁才进入相对开放的时代，但仍只有一些真正的大学者才会被允许登天一阁参观。
天一阁之名，取义于汉郑玄《易经注》中“天一生水”之说，因为火是藏书楼最大的祸患，而“天一生水”，可以以水克火，所以取名“天一阁”。书阁是硬山顶重楼式，面阔、进深各有六间，前后有长廊相互沟通。楼前有“天一池”，引水入池，蓄水以防火。公元1665年（康熙四年），范钦的重孙范文光又绕池叠砌假山、修亭建桥、种花植草，使整个的楼阁及其周围初具江南私家园林的风貌。
清代思想家，历史学家黄宗羲曾获准在天一阁翻阅了全部藏书，把其中流通未广者编为书目，另撰《天一阁藏书记》留世。
20世纪90年代以来，宁波市人民政府先后将紧邻天一阁的陈氏宗祠、闻家祠堂和秦氏支祠，以及白云庄、银台第、鼓楼、天封塔、伏跗室等文保单位（点）纳入天一阁统一管理，并在陈氏宗祠内增设《麻将起源地陈列》、白云庄设置了《浙东学术文化陈列》、银台第开设官宅博物馆；秦氏支祠、白云庄相继列入第五批、第六批全国重点文物保护单位行列。
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